毕业论文塔式起重机动态平衡监控系统设计

1、理工学院毕业设计（论文）塔式起重机动态平衡监控系统设计学 生：学 号：指导教师： 理工学院机械工程学院二O一三年六月摘 要随着近年来高层建筑的兴起，塔机在现代化建筑施工过程中起着作用越来越大的作用，并且不断向智能化、大型化方向发展。与此同时，塔式起重机事故也在频繁发生，塔机事故已成为威胁建筑施工安全的重要隐患之一。为使塔式起重机安全运行减少因事故造成的经济及人员损失，研究开发一种塔式起重机监控系统有着极其重要的工程应用价值。本文对塔式起重机平衡监控技术进行了研究，并在此基础上设计开发了基于单片机的塔式起重机监控系统。本文对塔式起重机工作原理及其监控需求进行了详细阐述，分析了国内外塔式起重机监控

2、系统的研究现状。然后，对塔式起重机监控系统进行了设计。本课题的监控系统运用角度传感器、鞘式重量传感器、绝对式光电编码器等，通过创新的安装方式，提高了塔机动态平衡监控的技术性能。关键词:塔式起重机;平衡检测;单片机;传感器ABSTRACTWith the develop of the architectureindustry,the structure of tower cranes has been developed toward higher, bigger and intelligent. At the same time, the tower crane accidents also

3、occur frequently. It can be said tower crane Accident has become a major threat to the safety of building construction. For the tower crane safe operation, reducing the accident caused by the economic loss and personnel. Research and development of an intelligent monitoring system of tower crane has

4、 important engineering application.This paper studied the technology of tower crane, and on this basis, design and development of tower crane monitoring system based on MCU. This paper firstly detail the tower crane working principle and control demand,analysis of domestic and international monitori

5、ng system of tower crane,Secondly,design of the tower crane monitoring system.The subject with the advanced control system from the angle sensor, shaft pin sensor, absolute photoelectric encoder, through innovative methods to install, improved tower crane safety monitoring of technical performance.

6、Keywords: Tower crane; balanced detection; MCU; transducer目录摘要IABSTRACTII目录1第1章绪论11.1课题研究背景和意义11.2塔式起重机简介2塔式起重机特点2塔式起重机结构及其工作原理21.3塔式起重机监控系统研究概况3国际研究概况3国内研究现状3塔机监控的发展趋势4课题主要研究内容51.3.5 论文解决的问题5第2章系统总体方案设计62.1监控方案设计6监控系统信息处理单元分析6监控结构系统化设计72.2塔机监控系统传感器设计7倾角传感器的设计7称重传感器设计8小车变幅测量10力矩传感器设计11第3章系统硬件设计133.1

7、系统硬件方案确定和主要芯片选型13单片机的选择133.1.2 A/D转换器的选择15外部存储器的扩展153.2系统硬件总体设计16电源模块设计17模拟信号采集保持电路173.2.3 A/D转换18开关量输入通道电路设计18后向通道的配置19按键扫描电路203.3.7 液晶显示模块的设计21单片机外围接口扩展模块21第4章系统软件设计234.1塔机监控系统系统软件设计23系统软件总体架构23系统软件ADC模块设计24显示模块设计25按键中断服务程序设计26数据存储模块27第5章总结29参考文献30致谢31附录A监控主程序32附录B系统主要模块电路图41第1章 绪论1.1课题研究背景和意义塔式起重

8、机（简称塔机）起源于西欧，它是为适应欧洲工业革命建设的需要，由系缆式桅杆吊演变而来的12。到如今，塔机越来越多的运用于工业和民用建筑领域来垂直搬运和移动货物，可以说是大型建筑必不可少的工具之一。由于塔机机体庞大、起升高度高、起吊重量大、作业范围广等原因，也是一个蕴藏危险较多的机构。近年来随着各类高层、超高层建筑的兴起和生产自动化程度的提高,为提高工作效率,塔机也日益向大型化、高速化、智能化方向发展，因而对其安全性能也提出更高要求。因而研发一种能对塔机的运行状态进行实时监控，并提供安全有效的保障措施的塔机安全监控系统有着十分重要的意义。本文在分析并总结当前塔式起重机监控系统研究现状和不足的基础上

9、，研究开发一种基于单片机的塔机动态平衡远程监控系统。对于机械设备来说，完全不出故障是不可能做到的，关键是在于能够早期发觉，防患于未然。而以定期维护、维修的方式也必定不能完全杜绝安全事故的发生，所以必然会过渡到以状态为基础的状态检测维修制度。现代塔机的应用一方面能够大大加快建设的速度，而另一方面也潜伏着巨大的危机，由于塔式起重机特殊的结构和使用方式，一旦稍有不慎，很容易引起很严重的安全事故。为了能够保障塔机安全工作，降低建筑施工事故发生,国家制定了比较完善的标准和规范,颁布了塔式起重机安全操作规程等一系列的文件。安全规程对塔机安全保护装置作了详细规定,强制要求塔机上必须装设安全保护装置。但即便如

10、此,目前在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故依旧屡屡发生。表1-1塔机结构损坏统计表塔机事故类别所占百分比(%)整体倾覆52起重臂折断或碰毁18塔身断折或底架碰毁27塔机出轨2机构损坏1由于塔机的特殊结构和使用方式，塔机事故具有多样性和复杂性。有资料对1200例塔机事故进行了统计分析。如果按塔机结构损坏情况分类,塔机典型事故情况见表1-113。由上表可以知道，塔机事故的发生主要是由于整体倾覆。塔机的倾覆归根结底在于塔机在工作时产生的不平衡，基于此提出了此课题的研究。1.2塔式起重机简介塔式起重机特点塔式起重机属于起重机门类中的一大专门类型，它是工程建筑中应用的重要起重设备。其主要优点有

11、以下几个当面：塔身高，起重臂的绞点装置处于塔身的顶部，使塔式起重机的有效起吊高度距离更大，能满足工程建筑施工中物料运输的高度；塔式起重机起重臂较长，旋转后水平覆面广；塔机在工作运行状态时能同时进行起升、变幅、回转和行走等运动，作业效率高，因此塔式起重机成为了建筑工程中不可替代的重要设备之一。塔式起重机结构及其工作原理目前使用的塔式起重机大多数都是变幅小车式，其主要机构包括：起升机构、回转机构、变幅机构与行走机构等几大机构组成，为塔式起重机的功能执行机构。在塔机的主要工作参数相同的情况下，起升、变幅及回转三大机构的工作性能决定了塔机的性能好坏。(1) 塔式起重机起升机构起升机构通过吊绳实现物料的

12、垂直上下运动，其构实际上就是一台可调速的卷扬机。由原动机、卷筒、钢丝绳、制动器、滚轮组和吊钩组成。通过原动机旋转带动变速器，然后通过卷筒、钢丝绳、滚轮组等机构将原动机的旋转变为吊钩的垂直运动。当钢丝绳缠绕达到一定的圈数值时，制动器触发，切断起升机构的电源。(2) 塔式起重机回转机构回转机构作用是实现物料在任意方向内的移动。由电机、行星齿轮减速器、回转齿圈和液力耦合器等构成。大多数的塔机是通过电机经行星齿轮减速器带动小齿轮，使其围绕大齿轮转动，从而驱动塔机的回转。回转机构设有回转限位器，通过调整限位器凸轮角度，限制塔身的回转角度。(3) 塔式起重机变幅机构变幅机构作用是改变吊钩中心位置与塔式起重

13、机回转中心轴线位置之间的距离。变幅机构主要包括括电动机、蜗轮蜗杆减速机、变幅小车、钢丝绳、卷筒、导向轮和张紧轮等几部分。变幅变化时，电机通过减速机、卷筒带动钢丝绳的运动。钢丝绳两端分别通过臂架根滑轮和臂架前滑轮来连接到小车。其中一端收缩钢丝绳，另一端放出钢丝绳，带动小车的运动。变幅机构设有行程限位器。小车运动时，齿轮带动凸轮运动。通过设定凸轮转动的角度范围来限定小车的极限行程。1.3塔式起重机监控系统研究概况随着高层建筑物和大型工程不断出现，塔式起重机向着大型化、高速化、智能化方向发展。但塔式起重机安全事故也逐年增加。而塔机监控系统的出现，在一定范围内防止了塔机安全事故的发生。塔式起重机在建筑

14、业中成为工程机械一个重要分支以来，其安全性问题一直在国内外引起了巨大的关注，塔机安全监控系统也被广泛应用于各类塔式起重机。国际研究概况随着计算机技术、信息技术、机械技术的不断融合，塔机各方面性能在不断改进，其监控系统功能也逐渐完善。国际上塔机设计制造行业较发达的国家主要有德国、英国、法国、意大利、俄罗斯、丹麦、西班牙、美国和日本。其中又以法国和德国生产的塔机最具代表性。比较著名的塔机生产厂家有德国的LIEBHERR公司、法国的POTAIN公司、意大利的SIMMA等几十家制造商,其产品在国际塔机市场占据着大部分份额,同时也代表着塔机生产的发展历程、现状和未来趋势。较之国内国外塔机监控系统研制比较

15、早，其监控系统参数比较全面，数字化和智能化程度都很高。塔机监控系统的应用对于遏制重大事故，减少一般事故起到了巨大的作用，改变了塔机事故频繁发生的被动局面，实现了预防事故的目的。1997年德国利勃海尔公司率先应用了全参数监控系统，而后这套系统迅速普及到欧美等发达国家。至2001年欧美各国所有的建筑塔式起重机都已安装了该系统，并且将其列入了技术法规。利用这些高新技术不仅保证了塔机的工作安全，取得最佳的工作效率，也使它们的产品在国际上保持着领先的地位。国内研究现状与国外先进塔机制造企业相比,国内塔机安全监控系统发展起步比较晚，主要是一些科学研究院所和高等院校在进行开发、研究和设计。虽然我国从五六十年

16、代就开始引进国外先进的塔机，但是塔机的生产研究工作却是在改革开放之后，随着工业建设和民用建筑规模不断扩大，才渐渐被提上日程。 目前国内塔机仍以中小型起重机为主，刚完成机械液压一体化，智能化塔机监控系统还处于比较落后的阶段。有实验室试验结果显示，国产塔机监控系统普遍存在着漂移大，数据不稳定的现象，而国外产品则要好的多。从选用的电子元件上看，国内一些厂家使用了级别较低，价格便宜的电子元件，达到了一定的自动化水平，在价格方面也占有一定的优势，但在上和寿命上还值得商榷。近几年，国内也研制出了一些塔机安全综合监测仪，将塔机起吊重量、回转力矩、起吊高度、风力大小等数据收集进去，轮流切换并在屏幕上显示，技术

17、上取得了较大成功。总体上说，国内塔机安全监控系统相对国外先进的塔机监控系统来说价格比较便宜。但是，国内产品在稳定性和可靠性上与国外相比仍有较大差距，不能适应在较为复杂的环境下运行的要求，整体性能完善方面以及长远发展战略上还有待提高。塔机监控的发展趋势随着自动控制技术、计算机技术、传感器技术的快速发展，为了提高塔机工作效率和保证施工安全，塔机安全监控系统被要求具有更高的信息采集和数据处理能力。塔机监控系统快速向着硬件可靠化、软件智能化、系统高度集成化的方向发展。(1) 硬件的可靠化使用高性能的电子元器件，增强系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力。对输入和输出信号进行隔离，防止外界环境对系统的干扰，加

18、强硬件系统的抗干扰能力。为了防止电网谐波对系统的干扰，采用稳定可靠的电源技术。(2) 软件智能化软件智能化主要体现在系统参数设置、系统自诊断能力和记录功能以及优良的人机界面三个方面。可以根据不同的工作情况，选择不同的工作参数。在系统的参数出现故障的时候系统能自动识别，例如某个传感器没输出信号，系统能够检测到传感器出现故障，并显示在屏幕上，方便工作人员能很快找到故障原因并进行处理。系统能够实时记录塔机工作中出现的异常参数信息。优良的人机界面，通俗易懂，操作更加快捷、简单，界面显示的信息更加全面，显示画面更加直观。将塔机的工作的实际运行模型模拟显示，操作人员不用直接观察塔机便能够了解当前塔机的工作

19、状态。(3) 系统高度集成化采用集中分布式的基本结构，以高性能的计算机系统做中央控制单元，将运行控制系统、自诊断监控系统、安全监控系统进行集成。以高性能的计算机系统做中央控制单元，实行运行状态监控、故障信息的显示与存储并报警、监视各个智能监控单元的工作状态，智能监控单元之间相互监控，并将获得的参数信息通过总线技术传送到中央控制单元。中央智能控制单元可以由单片机、PLC、DSP 等处理器组成，提高了系统的整体性能也降低了系统的开发成本。课题主要研究内容(1)监控系统方案设计。塔机监控参数的多样性决定了监控系统是一个集信息采集、处理、存储和管理为一体的系统。选择合适精度的传感器，精确采集所需要监测

20、的信息，保证监控系统能够达到所预期的检测目的。(2)监控系统硬件电路设计。在监控系统方案的基础上，设计合理的各模块硬件电路。(3)监控系统软件设计。监控软件部分是控制器的重要组成部分，担负着控制器的全部逻辑运算、I/O控制、人机交互任务。软件运行效率、时实性、交互性直接决定了整个监控系统的性能优劣。本文根据监控系统的需要和硬件电路设计了相关软件。 论文解决的问题(1) 实时计算并显示塔机的状态参数,以实现对塔机的实时监测。(2) 适应塔机复杂作业环境的信号采集系统的研究与设计。(3) 提高监测系统可靠性和抗干扰能力。第2章系统总体方案设计2.1监控方案设计监控系统信息处理单元分析随着现代化建设

21、速度加快，各种高层、超高层建筑不断涌现，塔机的工作环境变得复杂多样。这便要求塔机监控系统能够能够快速、准确、实时地处理现场复杂多变的数据，以确保塔机各个环节能够有效、安全地运行。在整个塔机监控系统中信息处理单元扮演着十分重要的角色，是整个监控系统成功与否的决定性因素。信息处理单元不仅要及时收集各个传感器所采集来的塔机实时运行状态信息，还要按需对其进行一系列的分析、处理和记录，并且还要反馈给系统的输出接口，从而控制整个塔机的运行状态。在深入了解塔式起重机结构、运行机构的工作原理，综合国内外塔式起重机监控系统和国内相关产品的现状，兼顾性价比，最终确定本次所研究的塔机平衡监控系统要求能够实时监测塔机

22、倾角、起重重量、小车幅度以及起重力矩等参数。在目前，国内塔机监控系统采用的信息处理单元有主要由以下几个解决方案：(1)以单片机为中央处理核心。目前国内的单片机应用技术已经成熟，其成本相对较低，在工业领域应用十分广阔。单片机系统具有体积小、便携性能好、功耗低、使用者众多等优点。目前的单片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先进的A/D接口、数字信息处理功能以及灵巧的电源功能等。随着最新的亚微米CMOS工艺技术运用于单片机上，单片机的运算速度有了很大的提高。(2)以工业控制计算机为中央处理核心。工控机在主机接口、网络通讯、软件兼容性以及软件升级等方面都遵守开放性原则。这有利于系统扩充、不同系统之间的

23、连接、软件的移植和互换。其可靠性比较高，对环境的适应能力比较强，实时性也比较好。其后备措施比较齐全，拥有后备供电、存储器信息保护、手动/自动操作、紧急事故切换装置等。但是工控机的体积比较大，不易于携带，功耗高。而且运用于塔机监控也不太可能将庞大的工控机放在塔机操控室。(3)以PLC为中央处理核心。PLC是一种数字运算操作的电子系统。其采用大规模集成电路技术，在加上严格的生产工艺制造，使其具有很高的可靠性、抗干扰能力、配置灵活、编程简单一、使用比较方便、易于扩展等优点。但是PLC体系比较封闭，没有一个统一的标准。这也使得不同生产厂家所生产的PLC硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同，其

24、通用性差，可扩展性差，不利于塔机监控系统的拓展。总上所述,由于系统的开发要求,同时又考虑到目前开发能力。本文采用了单片机为中心处理器的方式来开发塔机监测系统。监控结构系统化设计塔机平衡监控系统集结了单片机、传感器、传输反馈模块，各块协同配合，共同完成。对塔机工作的起升、小车变幅进行实时跟踪反馈，从最大限度上保障塔机的安全工作。设计的基本原理为：将传感器（称重传感器、力矩限制器、角度传感器等)采集的塔机实时信息先进行信号放大，再将放大后的信号经过A/D转换成数字信号，送入单片机进行分析、运算、处理和存储。然后通过LCD显示屏将相关的信息显示出来。另一方面，单片机将处理后的数据与系统内部中预先设定

25、的重量、角度、小车幅度、起重力矩等数值进行比较，当达到或超过预设的数值时发出报警，并且输出相应的控制信号，断开塔机向危险方向的控制电路，从而达到安全保护的目的。2.2塔机监控系统传感器设计倾角传感器的设计 塔机在工作中会受到吊重的影响以及在有风的情况下会发生轻微的倾斜,如果不了解塔机的倾斜角,就可能在倾斜角过大的情况下发生塔机倒塌的严重事故。在本次塔机平衡监控系统设计中,设计了倾角传感器。本系统中选用的是北京天海科科技发展有限公司的QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器，对倾角的测量从X轴和Y轴两个方向进行。QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器是一种高精度的二维倾角传感器。它采用高性能半导体磁敏

26、电阻作为其敏感元件（简称为MR元件），当外界磁场变化时，它的阻值会产生数倍的变化。为了使MR元件能够充分感应外界磁通量的变化,传感器采用自动摆来带动永磁体来转动，将MR元件与永磁体之间产生的相对角度的变化转变成电阻阻值的变化,再通过信号变换电路将塔机的倾斜角转换成420mA标准电流信号输出。其接线方式为:红色线接电源正极，黑色线接电源负极，黄色线接X输出信号，蓝色线接Y输出信号。具体参数指标如表2-1所示。磁敏倾斜角传感器水平安装在塔机塔帽顶端。在安装之前，应确定水平位置，即调整被测平面,使传感器X、 Y方向两路输出信号都是12mA (3V)。被测塔机倾斜角度的旋转轴应该垂直于传感器底座上的直

27、线边。表2-1QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器技术参数产品型号QXJ-BZ-A参数名称测试条件参数值单位最小典型最大电源电压 VCC81224V消耗电流 IS50MA存储温度TS-55125使用温度 TA-4085中点输出X 、Y轴 VO11.912.012.1MA满度输出X 、Y轴 FSRL<2504.020.0MA负载阻抗RL0250中点温漂±0.3%FS满度温漂-40<TA<85±1%FS分辨率0.01°频率响应028Hz复位精度0.03°FS线性度 = ± 5°3FS = ± 8°5F

28、S = ± 30°1.5%FS = ± 90°3%FS称重传感器设计起重量传感器是将质量信号转变为电信号输出的装置，由于起重量传感器在塔机监控系统中的重要性，在选型时应该注意到以下几点：首先其设计许用重量应该大于塔机的许用起吊重量；在称重时应当能够及时、准确、快速的输出信号给控制器，所以还应当考虑到它的灵敏度；另外，由于建筑工地工作环境的恶劣和复杂性，应该选取密封性好可以在粉尘、潮湿的环境中工作的传感器。传统的起重量传感器其本质就是一个限位开关，只能定性判断是否超重，而不能反馈起重量到底是多少。本文采用采用了新型的轴销式传感器，能够通过电信号实时反馈起重

29、量信息。轴销式传感器有着精度高、稳定性好、结构合理、紧凑、安装更换便利的特点，实质上就是一根空心截面圆轴。在其中心孔内凹槽中心的位置上贴有双剪型电阻应变计，两个凹槽处的双剪型电阻可以共同组成惠斯通电桥进行测量也可以分别组成惠斯通电桥再并联进行测量。其结构简图如图2-1示510。图2-1销式起重量传感器外廓图其输出信号为020 mV电压模拟信号，技术参数如下表：表2-2销式起重量传感器技术参数精度等级0.05灵敏度1.0±0.005mV/V输入阻抗750±20输出阻抗702±2绝缘电阻5000M最大供桥电压15V安全过载150%F.S.温度范围-30+70防护等级I

30、P66、IP77输出信号020mV电压模拟信号弹性元件的应变区为凹槽中心的空心截面，其中点处剪应力最大。剪应力可以通过测量安装在其中的应变片的变形来得到，相关算法如下： (2-1)其中：为横截面上的剪力； 为对Z轴的静矩； 为横截面宽度； 为截面对中性轴Z的惯性矩。 (2-2) (2-3)(2-4) 将公式带入得到空心截面处的剪力:(2-5)其剪应变为： (2-6)中点处与轴线成45O角处的主应力、主应变为:(2-7)(2-8)小车变幅测量由于塔机工作环境复杂多样，地面设备、障碍物高低不定，塔机操作人员很难判断小车工作幅度。为了防止起重臂变幅失控，小车工作幅度需要保持在一个安全的范围。目前，小

31、车行程限位器多用机械齿轮传动式的行程开关，由于机械的频繁接触，限位器容易损坏，从而发生事故。本文通过传感器对小车行程信息进行采集，运用数字式开关代替原有的机械开关，使塔机工作更为安全。小车的工作幅度可以通过测量导向滑轮、旋转齿轮等回转体来测量，而测量回转体一般选用旋转编码器。旋转编码器根据刻度方法与编码器的输出形式，可以分为增量式和绝对式编码器11。增量式光电编码器主要由光源、码盘、监测光栅、光敏元件和转换电路组成。增量式光电旋转编码器一般输出三路信号，包括以正弦波或方波脉冲出现的A、B相信号以及零位信号Z。光敏元件所产生的信号A、B彼此相差900，利用A、B相之间的相位差，可以判断编码器的转

32、向。Z相为每转一圈产生一个脉冲，用于基准点定位。绝对式光电编码器直接输出二进制数字信息。在其圆形码盘上，沿半径方向有若干同心码道，每条码道都是由多个透光、不透光的扇区相间组成，在码盘的一侧是发光体，另一侧则是光敏元件，当光线通过透光的扇照射到光敏元件上时，经过光电转换及电子处理电路的调制后将位置信息以数字信号形式输出。小车工作幅度可通过测量相关工作机构导向滑轮所转过的圈数及导向滑轮的半径间接测出。当塔机停机时，变幅机构处于制动状态，只要在断电前将小车工作幅度这个物理量存储起来，开机后再从存储器读出这数据即可，因而可以选用没有记忆功能的增量式光电编码器进行信息采集。相对于绝对式光电编码器来说价格

33、便宜，性价比高。通过联轴器将其与变幅机构的传动齿轮或者导向滑轮相连。本文选用DBS50型轻载增量式光电编码器，在同类产品中其性价比最高。其分辨率可选范围为1002500，工作电压有DC 4.5 5V (TTL) 、DC 724V (MTL) , DC 4.55.5V(NPN)，电气接口有TTL、HTL、NPN开路集电极。使用单片机作为数据处理核心时，通过光电耦合器与单片机连接。力矩传感器设计 为了保证塔机的安全运行，力矩限制器是必要安装的装置。我国在GB 12602-90起重机械超载保护装置安全技术规范中规定：电气型力矩限制器综合误差不得超过±5%，机械型力矩限制器综合误差不超过&#

34、177;8%，其显示误差不超过±5%。现目前，最多运用的是弓形板力矩限制器，尤其是在老式塔机上面应用广泛。但是其灵敏度较低，不能实时、准确地反映塔机起重力矩的变化。本文设计了一种利用检测起重重量和小车变幅幅度来检测塔机力矩变化的电子式力矩限制器5。塔机的力矩由作用力和力臂决定。其中作用力包括塔机起重重量、吊具、钢丝绳等的重量。塔机力矩的计算公式为:(2-9)其中:M塔机起重力矩; K安全系数；P塔机额定起重量（包括起重重量和吊具重量）;L吊重至塔身回转机构的距离（力臂）。塔机额定起重量P由轴销式传感器测得。力臂L由光电编码器测得:(2-10)其中:d光电编码器安装滑轮直径;a实测光电

35、编码器的输出脉冲数;n光电编码器每转输出的脉冲数。传感器所测得的数据经过单片机处理后与塔机额定起重力矩进行比较，在通过力矩限制器对塔机的运行状态进行监控和控制。当塔机实际起重力矩达到额定起重力矩的90%左右时发出预警信号，达到或超过额定起重力矩时发出报警信号，并且断开塔机向危险方向运动的信号。第3章系统硬件设计3.1系统硬件方案确定和主要芯片选型单片机的选择 考虑到与自己熟悉的CPU相近的芯片，在国内有成熟的开发条件和稳定的供货来源，同时考虑微型机的字长、运算速度、中断系统、指令系统、片内RAM、片内ROM的数量及定时器的数量等方面，本文选用AT89C52为中央数据处理器4。AT89C52为4

36、0脚双列直插封装的高性能CMOS 8位通用微处理器，在内部功能及管脚排布上与通用的8×C52相同，它采用工业标准的C51内核，主要用于会聚调整时的功能控制。其各引脚功能如下：P0口： P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Fl-ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是

37、一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表3-1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口: P2口是一个带有内部上拉电阻的8

38、位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口： P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部

39、上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST： 复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用

40、于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。： 程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。/VPP： 外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁

41、存端状态。如端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1： 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2： 振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 A/D转换器的选择 随着经济和科技的发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术多种多样，为了满足各种不同的检测技术和控制任务的需要，大量的结构不同，性能不同的A/D转换器层出不穷。 本文选用ADC0809 A/D转换器，它是一种逐次比较式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。由单一的+5V电源供电，里

42、面带有所存功能的8路选1的模拟开关，由A、B、C,引脚的编码来决定所选的通道。0809完成一次转换需要100us左右输出具有TTL三态锁存缓存器，可以直接连接到单片机总线上。ADC0809引脚图如图3-1。图3-1ADC0809引脚图外部存储器的扩展由于AT89C52微处理器的,数据存储器只有256个字节，而本文设计的监控系统要实现设备参数设定、显示控制以及对采集的数据进行分析、计算等功能, 所以数据存储器是远远不够的,因而要对单片机内部的数据存储器进行扩展。本文选用了外部数据存储器62256。 62256是一种32×8的高集成度的RAM，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封

43、装。其芯片引脚排列如图3-2。图3-2 62256芯片引脚排列图3.2系统硬件总体设计塔式起重机接近开关驱动电路继电器、接触器整形光电耦合隔离8255接口A/D模拟信号处理电路变送器起重传感器、力矩限制器AT89C52LCD显示键盘数据存储报警 图3-3塔机监控系统硬件系统框图在塔机工作时，传感器采集到的塔机工作状信息先进行信号调理放大，然后进行A/D转换，再送给单片机进行分析处理。处理后的数据通过LCD进行显示，同时与与所设定的预警值和报警值进行比较。当达到或者超过设定值时，系统通过蜂鸣器进行报警，切断塔机向危险方向运动的控制电路。同时单片机会将塔机出现异常状态的时间、相关数据和状态的信息存

44、放到外扩RAM中。塔机监控系统硬件设计原理图如图3-3。电源模块设计本系统所需电压有5V DC以及12V DC。5V DC为单片机、译码器、锁存器、光电编码器、LCD显示器等系统模块提供电源电压。12V DC为倾角传感器以及轴销式起重量传感器提供电源电压。本文采用220V交流电经变压、整流、滤波后分别通过固定输出稳压模块LM7812、 LM7805转成+12V、+5V直流电源。为了提高系统的抗干扰能力,减少尖峰脉冲电流对元器件的影响,在固定式三端稳模块的输入端接入了大数值的电解电容,以滤除高次谐波,电压电路图如图3-4所示。图3-4供电电路图模拟信号采集保持电路 传感器输出的模拟信号很微弱,不

45、能直接送到A/D转换器,还需要经过放大、滤波、限幅等调理电路后才能输入A/D转换器进行转换,电路如图3-5所示。为了匹配传感器的输出阻抗与放大器的输入阻抗，减小误差，放大电路采用了超低漂移高精度运算放大器OPA827。它具有高增益、低失调电压和电流、低电压漂移、高输入阻抗、高共模抑制比、低温度漂移等特点。图中R6和R12为调零电阻,输入信号经U11后变为反向电压输入运算放大器U12,调节R8的大小可以改变U12的放大倍数,信号经反相放大后变为05V电压信号。为了保护A/D口，电路中加入滤波电容C13，以D3和D4构成限幅电路。图3-5起重重量模拟信号处理电路图3.2.3 A/D转换系统中传感器

46、所采集到的起重重量、塔机倾角的信号是连续变化的模拟量,其中还含有许多干扰信号，会影响传感器输入处理器的数据保真性，所以必须清除干扰。单片机只能处理数字信号量，传感器输出的模拟信号不能直接输入单片机，必须先进行A/D转换，将模拟量转变为数字信号后单片机才能进行分析、和处理。 在选择A/D转换器时，A/D转换器必须要达到一定的精度要求，为了保证监测系统的实时性，A/D转换器还必须具有较高的转换速度。本文选择的是ADC0809型A/D转换器，其与系统硬件电路连接如图3-6。图3-6A/D转换电路图开关量输入通道电路设计 小车变幅采用电感式接近开关检测，电路如图3-7所示。图中1脚接电源，3脚接地，2

47、脚为输出。当接近开关的感应端接近某金属时，三极管TR导通，2脚与3脚导通，电阻R13短路，LM339的同相输入端接地,比较器输出低电平；当近开关断开时,比较器输出高电平，这样即可采集到所需的脉冲信号。图3-7开关量输入通道电路图由于比较器LM339输出为012V，不能与系统的TTL5V逻辑电平兼容。本文利用光电偶合器4N25组成逻辑变换电路，将12V的脉冲电压信号转换成TTL5V电平的脉冲信号。光电偶合器的输入端电流至少应为6mA以上才能使光电耦合器的输出端光敏三极管导通,则限流电阻R17取500，LM339输出端上拉电阻取1K。由光电耦合器输出的信号经非门74HC04进一步整形后送入单片机。

48、后向通道的配置塔机监控系统中，单片机利用后向通道实现对监测对象控制操作。其主要功能有驱动大功率开关，来控制断电停机装置以及声光报警输出。一般来说单片机I/O输出的开关量不足以驱动一些功率开关（比如继电器、电机等），所以在后向通道的一些大功率开关量控制接口中，常采用功率开关电路。在本文中利用继电器来将低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号，此处选用的继电器输入端额定电压为DC12V，线圈驱动电流为80mA。同时为了隔离弱电与强电，还应加入隔离装置。本文选用达林顿输出型光电耦合器TIL113，其集电极输出电流在100mA以上，输入端可直接由TTL电平驱动，驱动电流只需l0mA。接口电路如图3-

49、8，图中R22为限流电阻，D6为保护用二极管。图3-8继电器输出电路声光报警由三极管2SC1815来驱动，输入端接单片机I/0口，C4和C5起滤波作用，D7起保护作用，声光报警电路如图3-9。图3-9声光报警电路按键扫描电路本系统采用的是4x4行列式键盘作为输入设备。行列式键盘扫描电路如图3-10所示。按键设置在行列式交叉点上,行列线分别连接到按键开关的两端,行线通过上拉电阻接+5V电源被钳制在高电平状态。图3-10键盘扫描电路识别有无按键按下时，将所有列线置低电平,将行线电平状态读入,如果有键按下,则有一根行线电平被拉至低电平,从而使行输入不全为1。识别按下的键时，依次置某一列线为低电平,其

50、余列线为高电平,检查各行线电平的变化,若某行线电平变低,可确定对应行、列线的交叉点处的键被按下，通过扫描法找到哪个按键被按下,就可以对其赋键值。采用中断扫描方式接入一个四输入与门来确保能及时响应按键操作，又不过多占用CPU工作时间。 液晶显示模块的设计本文采用SED1330 (320×240点阵)液晶显示，高分辨率。自带背光，背光均匀亮度高，不受光线强弱等条件的限制。与同类产品相比具有如下特点：有功能较强的I/O缓冲器；指令功能丰富；四位数据并行传送，最大驱动能力为640×256点阵；能够显示图形和文本。SED1330的硬件结构可分为MUP接口部分、管理控制部分以及显示驱动

51、部分三个部分。LCD显示模块与单片机的接口电路，虽然实现的功能比较复杂，但接口电路比较简单，实际上设计的是单片机与液晶显示控制器SED1330的连接电路。液晶显示模块接口电路如图3-11所示。图3-11LCD显示模块接口电路单片机外围接口扩展模块 由于单片机的I/O口不足以满足系统的需求，因而要对其接口进行扩展。目前普遍采用8255来进行接口扩展。8255有PA、PB、PC三个扩展I/0接口，一个2K位的静态随机存储器和一个14位定时/计数器，可以扩展系统的静态存储器，满足系统外扩256字节RAM的需要，与51系列单片机的接口也比较简单，易于实现。单片机与8255外围接口扩展电路图如图3-12

52、。图3-12系统外围接口扩展第4章系统软件设计4.1塔机监控系统系统软件设计 塔机监控系统硬件系统还需要有相应的系统软件才能有效地完成塔机监控。本文运用通用C语言软件，对系统软件进行了模块化设计，简化了设计过程，增强了程序的可读性和兼容性。系统软件总体架构 本文的信号采集、处理、分析和报警等模块都是通过软件来实现的。软件系统主要包括：数据传输模块、A/D转换、数据采集模块以及外扩存储器、报警、输出控制模块的数据处理模块。系统软件是人机交互的渠道，担负着数据处理以及对各硬件模块进行调度和控制的功能。系统主要分为数据采集和数据处理两个部分，系统软件采取顺序扫描，不断循环的工作方式。各模块的主要功能

53、如下:(1) 系统主程序模块的主要功能包括:初始化和对各子函数的调用，系统的启动、停止、复位等。(2) A/D转换模块的主要功能包括:将传感器所采集到的模拟信号（如角度、起重量等）转换为数字信号，进行通道的选择，以及数据的存储和读取等。(3) 1330液晶显示模块:对采集来的起重量、塔机倾角、小车变幅、起重力矩等信息进行实时显示。(4) 外扩存储器模块:由于单片机系统存储空间有限，利用外扩RAM存储器来满足塔机数据记录和事故查询的功能。(5) 报警模块：对塔机各种异常情况，进行报警。(6) D/A转换和输出控制模块：将数字信号转换为模拟型号，然后将此控制信号送给输出继电器、电机等驱动机构，当发

54、生危险时切断塔机向危险方向运动的控制回路。系统主程序流程图如图4-1：程序启动紧急停车系统初始化调用数据采集子程序调用A/D转换子程序调用D/A转换子程序调用LCD显示子程序数据处理超限、超载判断结束数据存储报警YNYN图4-1塔机监控主程序流程图系统软件ADC模块设计A/D转换是塔机监控系统工作的基础，只有将传感器采集来的数据进行转换后，单片机才能对相关数据进行处理和显示。本文根据监控系统的功能要求和硬件布局设计了如图4-2的软件工作模块:ADC的全部操作都是通过ADC寄存器进行。 ADC寄存器由ADC控制寄存器、ADC通道选择排序寄存器、ADC转换结果寄存器、ADC最大转换通道数寄存器（它们都是16位寄存器）组成 ，其地址外围是0x00007100到0x0000711F。ADC转换时，首先设置采样窗的宽度，宽度范围为015。再标定ADC内核时一钟，设置触发模式（0表示启动或停止，1表示连续触发），最后设置采样模式（0表示顺序采样，1表示同时采样）。本次设计由于要同时提取塔机倾角、起重量、起重力矩等信息，采取同时采样模式。由于不能完全使用16个通道，可采用2个通道分别采集同一种信号，然后取其平均值，这样可以提高ADC的转换精度。每次启动排序器，同时采样ADCINA0和ADCINB0到ADCINA7和ADCINB7等信号，由于一个周期内各采样两次，则一次排序